空间目标可见光散射特性数学建模与仿真研究

论文摘要

随着科技的发展,特别是军用航天技术的发展,对空间目标的光散射特性与辐射特性,尤其是对目标的探测、跟踪与识别、突防等空间技术的研究显得十分重要。空间目标的光散射特性研究包括目标对阳光天地背景辐射的空间散射强度分布和光谱分布。研究各种目标与背景的光辐射特性,建立目标与背景光辐射特性的数据库和数学模型,可为以后的论证、仿真和试验提供基础。本文介绍了辐射理论与散射理论中的有关概念和定律以及双向反射分布函数,并根据它们之间的关系,有效地将散射和辐射两个不同领域的概念联结在一起,建立了目标散射特性的数学模型,提出了一种计算目标表面辐照度的方法。介绍了太阳天顶角和方位角的计算以及大气传输与背景辐射的基本理论,用Modtran软件计算了太阳光谱辐照度,表明太阳光在0.4-0.6μm波段的辐射可以用65°方向的背景辐射来近似代替,在0.6-0.8μm波段的辐射可以用70°方向的背景辐射来近似代替。建模过程中,首先建立了目标背景辐射的物理模型;然后建立了辐射理论模型;最后引入Davies双向反射分布函数模型,建立了目标散射特性的理论模型;把辐射理论模型和散射理论模型进行比较,表明了散射理论模型的准确性。计算了目标模型的光谱辐照度,通过用MATLAB仿真计算,分析了空间目标在可见光波段的光谱辐照度与入射角、反射角和波长的关系,确定了卫星辐照度最大时的反射角。仿真结果表明:目标表面的光学特性,除了与目标的外形结构、飞行姿态有关以外,还和目标、太阳、地球间的相互位置有关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 空间目标光学特性的研究现状
• 1.3.1 国外研究动态
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 空间目标光学特性研究的发展趋势
• 1.4 本课题的来源和研究内容
• 第2章 目标与背景的辐射光学基础
• 2.1 辐射理论
• 2.1.1 辐射度学的基本物理量
• 2.1.2 辐射的基本定律
• 2.2 散射理论
• 2.2.1 光度学的基本概念
• 2.2.2 散射理论
• 2.3 星等和星等标度
• 2.4 本章小结
• 第3章 天地背景光谱辐射特性研究
• 3.1 目标的背景辐射
• 3.2 太阳天顶角和方位角的计算
• 3.3 大气传输与背景辐射的基本理论
• 3.3.1 大气辐射传输
• 3.3.2 大气透过率
• 3.3.3 透过率计算的半经验方法
• 3.4 大气传输模型及软件计算
• 3.4.1 大气传输模型
• 3.4.2 Beer-Lambert 方程符合程度的检验
• 3.5 天地背景可见光辐射的计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 目标的光学特性建模
• 4.1 漫反射理论模型
• 4.1.1 目标对天背景的漫反射特性
• 4.1.2 目标对地背景的漫反射特性
• 4.1.3 数学算法
• 4.2 散射理论模型
• 4.2.1 Davies 模型
• 4.2.2 目标对天背景的散射特性
• 4.2.3 目标对地背景的散射特性
• 4.2.4 目标的散射特性
• 4.3 本章小结
• 第5章 仿真实验及结果
• 5.1 目标光学特性的仿真环境
• 5.2 空间目标可见光漫反射的计算与仿真
• 5.3 空间目标可见光散射的计算与仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢